PWM软开关技术简介

1．引言

将谐振变换器与PWM技术结合起来构成软开关PWM的控制方法，集谐振变换器与PWM控制的优点于一体，既能实现功率开关管的软开关，又能实现恒频控制，是当今电力子技术领域发展方向之一。在直/直变换器中，则以全桥移相移控制软开关PWM变换器的研究十分活跃，它是直流电源实现高频化的理想拓扑之一，尤其是在中、大功率的应用场合。

目前全桥移相控制软开关PWM变换器的研究热点已由单纯地实现零电压软开关（ZVS）转向同时实现零压零流软开关（ZVZCS）。全桥移相控制ZVS方案至少有四点缺陷：

全桥电路内有自循环能量，影响变换效率。

副边存在占空度丢失，最大占空度利用不充分。

在副边整流管换流时，存在谐振电感与整流管的寄生电容的强烈振荡，导致整流管的电压应力较高，吸收电路的损耗较大，且有较大的开关噪音。

滞后臂实现零电压软开关的范围受负载和电源电压的影响。

另外，在功率器件发展领域，IGBT以其优越的性价比，在中大功率的应用场合已普遍实用化，适合将IGBT的开关方式软化的技术则是零电流开关（ZCS）。

因而，针对全桥移相控制ZVS方案存在的问题，各种全桥相移ZVZCS软开关的方案应运而生。

2．全桥ZVZCS软开关技术方案比较

目前，正在研究或已产品化的全桥ZVZCS软开关技术主要有以下3种：

变压器原边串联饱和电感和适当容量的隔直阻断电容。

变压器原边串联适当容量的隔直阻断电容，同时滞后臂的开关管串联二极管。

利用IGBT的反向雪崩击穿电压使原边电流复位的方法实现ZCS软开关。

除方案3为有限双极性控制方式以外，其它几种方案的控制方式全为相移PWM方式。

上述几种方案都能解决全桥相移ZVS的固有缺陷，如大幅度地降低电路内部的自循环能量，提高变换效率；减少副边的占空度丢失，提

高最大占空度的利用率；软开关实现范围基本不受电源电压和负载变化的影响，实现全负载范围内的高变换效率。为提高电路的开关频率准备了条件，使整机的轻量化，小型化成为可能，可进一步提高整机的功率变换密度，符合电力电子行业的发展方向。

但是经过仔细分析这几种方案，还是有如下不足之处：

这三种方案都是在变压器的原边采取措施实现ZVZCS软开关，为了使原边电流复位，它们都付出了使原边损耗加大的代价。饱和电感是有损耗器件，且在开关频率较高时，损耗会加大，对饱和电感磁芯材料的要求也很高，不易产品化。滞后臂的开关管串联二极管会增加功率传输时的损耗，二极管的发热量不小，需要散热器固定。利用IGBT的反向雪崩击穿电压使原边电流复位则是使变压器原边漏感能量消耗在IGBT上，且受IGBT反向雪崩击穿能量的限制，影响IGBT的可靠运用。

这三种方案由于在副边都没有采取措施，则为了防止在副边整流管换流时，变压器漏感与整流管寄生电容的强烈振荡和由于二极管反向恢复电流引起的整流管电压应力过高，势必要在整流管上加RC吸收，以降低反向尖峰电压，此时RC吸收电路会带来损耗，且反向尖峰电压的抑制作用达不到最佳效果，同时易引起较大的开关噪音。在选择整流管的耐压定额时，要考虑此反向尖峰电压的影响。

3．不对称全桥相移式零压零流软开关电路的提出

针对以上全桥ZVZCS软开关方案的问题，我们提出了不对称全桥相移式零压零流（PS-ZVZCS-PWM）软开关电路，与前述几种方案相比有如下优势：

主变压器原边电路无有损器件，原边损耗降至最低，整个电路也无外加有损吸收器件，大大提高整机的变换效率。

由于在变压器副边采取了有源钳位的措施，RC吸收电路可以取消，降低损耗，且二极管反向尖峰电压的抑制效果最佳，在选择整流管的耐压定额时，可以取低一级耐压的二极管，利于进一步提高效率和可靠性，同时由整流管寄生参数引起的振荡也大大减弱。

在使原边电流复位的时间上，此方案与前述几种方案相比，时间是最短的，而且此方案基本不存在副边占空度的丢失问题，在最大占空度的利用率上，此方案最佳。

在防止全桥主变压器的直流磁偏的问题上，我们采用最简单可靠的方法，在原边串联隔直电容，同时提出不对称全桥的概念，成功地阻止了原边电流复位以后，由于隔直电容的加入而使原边电流继续反向流动的趋势，使原边电流回零以后能保持住。

4．不对称全桥相移式零压零流软开关电路方案原理介绍

主电路原理简图如下：

从主电路的拓扑形式上，可以看出是不对称的。四只主功率管的基本控制方式是移相控制，超前臂为S1，S3，反并二极管和外接吸收电容，滞后臂为S2，S4，无反并二极管和吸收电容。辅管SC的控制时序是以超前臂S1，S3控制脉冲的上升沿触发一单稳高电平信号，控制辅管的开通时间。因而辅管的开关频率是原边主管的两倍。本电路的目的是实现超前臂S1，S3零电压开关，滞后臂S2，S4零电流开关，降低主管的开关损耗，为提高整机的工作频率，同时实现全负载范围内的高变换效率准备条件。工作过程简述如下。

当S1，S4开通时，原边能量向副边传输。S1关断后，原边电流转向C1，C2，C1充电，C2放电，此时S1上的关断电压是缓慢上升的，属零电压关断。直至下管S3的反并二极管导通。此时开通下管S3，属零点压开通。S3开通脉冲的上升沿同时触发一高电平开通辅管S C，此时，副边钳位电容的电压加在副边上成为激励，原边会感应出较高的电压，此电压的作用是使原边电流迅速复位，为滞后臂S2，S 4零电流开关准备条件。原边电流回零以后，辅管SC才关断。辅管一旦关闭，副边相当于短路，原边电压相应也为零，此时隔直电容C 3上的电压会反加在滞后臂S4管上，设计时，只要遵循限制隔直电容上脉动电压幅值的原则，合理地运用IGBT的倒置特性，就能成功地防止变压器原边电流的逆向流动，并且保证IGBT不发生反向雪崩击穿。此后，滞后臂S4零电流关断。由于原边漏感的存在，滞后臂S2的开通也为零电流开通。原边电流反向，进入下半个周期的循环，此时副边整流管也正在完成换向，由于钳位电容CC的存在，整流管的反向尖峰电压能够很好地抑制。

本电路方案的副边整流方式不仅适于全波整流，同样也适于全桥整流方式，基本工作原理保持不变。

5．理论仿真及试验验证

对上述方案进行了理论仿真，同时在ZXD800 15A一次电源上也进行了试验验证，结果表明实验结果与理论分析和仿真完全一致，证明了该方案的可行性，实用性。下面是ZXD800 15A一次电源上，比较轻载时，ZVS与ZVZCS两种方案的效率数据：

可以看出轻载时，整机变换效率有大幅提高，符合全负载范围内保持高的变换效率的要求。

6．结论

本文所提出的不对称全桥相移式零压零流软开关电路，普遍适用于中大功率的直直变换器中，是目前实现全桥软开关功率变换的一种实用理想的方案，为整机的高频化，轻量化和小型化创造了条件。可以在诸如通信电源，电力操作电源，直流焊机电源等需要中大功率输出的开关电源系统中大力推广，具有潜在的积极的社会效益和经济效益。

尤其是在通信电源系统中，在交流不断电，电池浮充的状态下，实际的通信交换设备的供电量是不大的，也就是说通信电源在大部分时间内是处于轻载或半载的状态下，以保证整流器有足够的冗余容量和足够的备用电流为电池充电，因而提高通信电源在轻载或半载时的变换效率，将给用户带来长期的经济效益，同时大幅提高可靠性，具有其现实意义。本文提出的方案是实现这一目的的有效途径。